Pompa ciepła – zasada działania

Coraz częściej poszukujemy energii z odnawialnych źródeł. Jednym z nich jest ciepło wnętrza ziemi. Pochodząca od słońca energia cieplna zmagazynowana w ziemi w wodzie lub w powietrzu ma zbyt niską temperaturę aby mogła być bezpośrednio używana do ogrzewania. Do korzystania z tak olbrzymich zasobów energii odnawialnej potrzebne jest odpowiednie wyposażenie techniczne. Do korzystania z tego ciepła służy pompa ciepła. Pompa ciepła jest urządzeniem, które pozwala na przepływ ciepła ze źródła o niższej temperaturze do źródła o temperaturze wyższej. Żeby taki proces mógł przebiegać niezbędna jest jednak energia elektryczna, która jest energią napędową dla pompy ciepła
Głównymi elementami pompy ciepła są parownik, sprężarka, skraplacz i zawór rozprężny. Dodatkowo urządzenia te wyposażone są w sterownik, pompkę obiegową dolnego źródła, grzałkę elektryczną i czujniki temperatury oraz ciśnienia. Pompy ciepła zazwyczaj zawierają zbiornik ciepłej wody użytkowej, również zbiornik ten jest może być oddzielnym elementem w kotłowni. Czynnikiem roboczym krążącym w instalacji jest niezamarzający płyn, który charakteryzuje się niską temperaturą wrzenia., np. mieszanina wody i alkoholu lub glikolu
Pompa ciepła wykorzystuje energię zakumulowaną w gruncie, wodach podziemnych lub powietrzu stanowiących dolne źródło ciepła, a następnie przekazuje energię cieplną o wyższej temperaturze do instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej, czyli tzw. górnego źródła ciepła. Ciepło dolnego źródła za pomocą czynnika termodynamicznego charakteryzującego się niższą niż woda temperaturą wrzenia i parowania przy określonych wartościach ciśnienia, przekazywane jest przez parownik do instalacji pompy ciepła. Za zaworem rozprężnym, a przed parownikiem następuje obniżenie temperatury poniżej temperatury dolnego źródła ciepła na skutek obniżenia ciśnienia czynnika roboczego. Dzięki temu energia może być od niego odbierana, a następnie zużywana w wymienniku ciepła, którym jest parownik do odparowania czynnika roboczego krążącego wewnątrz instalacji pompy ciepła (czynnik po odebraniu ciepła zmienia stan skupienia z płynnego na gazowy) stającego się nośnikiem energii cieplnej. Sprężarka spiralna, do której kierowany jest czynnik roboczy w postaci pary, spręża ją i powoduje wykraplanie w kondensatorze pompy ciepła, w temperaturze wyższej od temperatury, jaką ma czynnik przepływający przez wymiennik gdzie następuje oddanie ciepła wodzie (przejście czynnika do fazy ciekłej przy jednoczesnym oddaniu energii parowania powiększonej o pracę włożoną przez sprężarkę). Woda wypełnia grzejniki, a ochłodzony płyn przepływa przez zawór rozprężny, dzięki czemu czynnik roboczy powraca do ciśnienia, które umożliwia wrzenie w temperaturze dolnego źródła ciepła. Następnie czynnik roboczy kierowany jest powtórnie do parownika i cały proces rozpoczyna się od nowa. Podsumowując, w skraplaczu w użyteczny sposób odbierana jest energia pobrana przez czynnik roboczy w parowniku oraz energia napędowa, jaką pobrała sprężarka. Transport ciepła z ośrodka o niższej temperaturze do ośrodka o wyższej temperaturze jest możliwy jedynie przy udziale energii elektrycznej dostarczonej z zewnątrz do napędu sprężarki jako jednego z elementów obiegu termodynamicznego.

1. Czynnik obiegu dolnego źródła (ciecz niezamarzająca, np. mieszanina wody i alkoholu lub glikolu) płynąc w wężownicy odbiera energię cieplną z gruntu, powietrza lub wody.
2. W parowniku pompy podgrzany czynnik obiegu dolnego źródła oddaje ciepło zimnemu czynnikowi chłodniczemu obiegu wewnętrznego pompy ciepła (ze względu na ochronę środowiska stosowane są obecnie freony hydrofluorowęglowodorowe (HFC) zamiast niebezpiecznych dla warstwy ozonowej freonów wodorochlorofluorowęglowodorowych (HCFC); czynnik chłodniczy znajduje się w obiegu zamkniętym w pompie ciepła i nie ma kontaktu z otoczeniem). Czynnik chłodniczy podgrzewa się i odparowuje, stając się gazem.
3. Gaz zostaje sprężony przez sprężarkę. Wytworzone w tym procesie ciepło jest przekazywane w skraplaczu do systemu instalacji centralnego ogrzewania budynku.
4. Skroplony gaz po przejściu przez zawór rozprężny obniża swoje ciśnienie oraz temperaturę i przepływa do parownika, gdzie ponownie odbiera ciepło od czynnika obiegu dolnego źródła i proces zaczyna się ponownie.
Dolnym źródłem ciepła dla pompy ciepła mogą być grunt, woda bądź powietrze. Im wyższa temperatura dolnego źródła, tym wyższy współczynnik efektywności COP (Ceofficient Of Performance - stosunek oddanej energii cieplnej do energii napędowej niezbędnej do pracy pompy). Zastosowanie pomp ciepła jest związane z możliwością pozyskania energii cieplnej z dolnego źródła, które powinno charakteryzować się stałą temperaturą w ciągu roku umożliwiającą ekonomiczny odzysk ciepła, zdolnością odbudowy swojego potencjału energetycznego w określonym czasie. Istotne są również koszty wykonania dolnego źródła
Projektując instalację z pompą ciepła należy określić jakie jest zapotrzebowanie budynku na ciepło oraz przeznaczenie (centralne ogrzewanie oraz zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową). Następnie dobierana jest pompa ciepła o odpowiedniej mocy, a na końcu planowania inwestycji dobiera się dolne źródło ciepła w oparciu o moc pompy.

Podstawową zaletą wykorzystania pompy ciepła dla celów centralnego ogrzewania oraz produkcji ciepłej wody użytkowej są oszczędności płynące z niższych niż w przypadku kotłów węglowych, olejowych czy gazowych kosztów ogrzewania. Zaletami pomp ciepła są także cicha praca, brak odpadów, ognia i dymu. Instalacja z pompą ciepła nie wymaga komina, wykonania przyłącza gazowego czy miejsca składowania paliwa, co też daje komfort użytkowania tego urządzenia. Należy pamiętać, że pompa ciepła pracuje przez cały rok. W zimie przygotowuje ciepłą wodę użytkową oraz ciepło dla potrzeb centralnego ogrzewania, natomiast po sezonie grzewczym, oprócz przygotowania ciepłej wody użytkowej, może chłodzić pomieszczenia.